PENERAPAN METODE
HYSTERESIS SPACE VECTOR PULSE
WIDTH MODULATION
PADA INVERTER TIGA FASA UNTUK
PENGATURAN KECEPATAN DAN EFISIENSI MOTOR INDUKSI
Hendi Purnata1, Anindya Dwi Risdhayanti2, Shabrina Adani Putri3, Achmad Komarudin4 1,2,3,4
Program Studi Teknik Elektronika, Politeknik Negeri Malang, Malang 65142 E-mail1:hendipurnata@gmail.com
Abstrak
Pengaturan kecepatan motor induksi relatif sulit, karena torsi danfluksyang dihasilkan saling berkaitan. Selain itu untuk mengatur kecepatan diperlukan inverter sebagai aktuator. Keluaran inverter bukan sinyal sinusoidal murni tetapi hasil dari pensaklaran. Oleh karena itu diperlukan metode pensaklaran untuk dapat memperbaiki sinyal keluaran inverter agar dapat meningkatkan efisiensi dan mengatur kecepatan motor induksi. Pada penelitian ini metode indirect vector control diterapkan untuk pengaturan kecepatan dan menggabungkan metode SVPWM (Space vector pulse width modulation) dengan Hystesesis sehingga menjadi metode hysteresis space vector pulse width modulation (HSVPWM). Hasil simulasi pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa menggunakan metode indirect vector control berhasil diterapkan yaitu dapat mengikuti set point sebesar 600 rpm dengan rise time 0.527 detik, steady state 0.723 detik dengan overshoot sebesaar 0.8%. Ripple arus keluaran pada inverter menggunakan metode HSVPWM dapat berkurang 65%. Effisiensi motor induksi menggunakan metode HSVPWM yang semula 91% dapat ditingkatkan menjadi 94% atau kenaikan 3%.
Kata Kunci-Indirect Vector Control, Space vector pulse width modulation, Hysteresis Band, Inverter, Motor Induksi
Abstract
Induction motor speed control is relatively difficult, because the generated torque and flux are related or not free. In addition to adjusting the speed, it requires inverter control. The inverter output is not a pure sinusoidal signal but it is the result of the switching. Therefore, it is necessary to be able to fix the method of switching the inverter output signal that can adjust induction motor speed with load changes. This study applies the indirect method of vector control for setting the speed. The combination of SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) methods and hysteresis known as HSVPWM (Hysteresis Space Vector Pulse Width Modulation) methods. A change of pace on HSVPWM method successfully achieves the set point of 600 rpm with a rise time of 0.5267 seconds, 0.723 seconds steady state and has over shoot of 0.8%. The results show the ripple current at the inverter output using methods HSVPWM can be reduced 65%. The setting speed three phase induction motor vector control using indirect methods are successfully applied. The efficiency of the induction motor using HSVPWM method which was originally 91% could be increased to 94% or 3%.
Keyword-Vector Control, Space Vector Pulse Width Modulation, Hysteresis Band, Induction motor.
1. PENDAHULUAN
Motor induksi merupakan salah satu mesin listrik yang paling banyak digunakan dalam dunia industri. Pengaturan kecepatan
motor induksi squirrel cage secara umum
menggunakan perubahan tegangan pada
terminal dan pengaturan frekuensi [1]. Pengaturan kecepatan motor induksi lebih sulit dibandingkan dengan motor DC, Karena fluks dan torsi yang dihasilkan saling berkaitan atau tidak bebas. Jika arus yang melewati
terminal motor berubah maka fluks medan
magnet stator dan torsi elektromagnetik yang dibangkitkan juga akan berubah. Faktor ini yang menyebabkan pengaturan motor induksi menjadi lebih kompleks [2].
Kontrol konvensional seperti proportional
integral (PI) dan proportional integral
derivative (PID) digunakan bersama dengan
menggunakan metode pengaturan vektor untuk menghasillkan kecepatan motor yang lebih baik. Kelemahan kontrol konvensional (PID) yaitu parameter dari sistemnya bervariasi dan
mengakibatkan perfomanya rendah, dan
faktanya ketika menggunakan gain yang tetap maka kontroler tidak dapat memberikan kecepatan dan perfoma yang diperlukan dalam
parameter motor [3]. Space vector width
modulation (SVPWM) merupakan
penggabungan antara pengaturan vektor
dengan pulse width modulation. Pengaturan
kecepatan motor induksi menggunakan
inverter SVPWM dengan kontroler PI-Fuzzy
Hybriddapat menjaga kecepatan motor secara
mengurangi kecepatan ripple dibanding kontroler Hysteresis pulse width modulation
(HPWM) tetapi respon transientpada HPWM
lebih cepat dibandingkan SVPWM dengan
ILC-PI [5]. Metode kontrol Hysteresis
switchingpada frekuensinya tidak fixdan akan
berubah-ubah berdasarkan perubahan arus [6].
Metode Indirect Vector Control banyak
diguanakan ketika untuk mengatur kecepatan
dengan beban yang berubah-ubah [7]
.Penelitian selanjutnya mengatur kecepatan motor dengan beban yang berubah-ubah
kemudian di implementasikan untuk
mengetahui kontroler yang dicapai. Penelitian ini menggunakan pengaturan vektor tidak langsung dengan metode HPWM. Kontroler pada penelitian ini dapat mengatasi beban yang berubah-ubah. Hasil eksperiment pada penelitian ini respon kecepatan dan perubahan torsi belum dapat diatasi karena respon belum bisa mengikut referensi secara sempurna. [8].
Permasalahan yang ingin diatasi pada
penelitian ini adalah kontrol kecepatan motor dan efisiensi Motor induksi tiga fasa dengan menggabungkan metode Hysteresisi Space Vector Pulse Width Modulation.
2. METODE
2.1 Model Matematika Motor Induksi Tiga Fasa [9]
Performansi dinamik dari mesin AC agak kompleks karena kumparan rotor 3 fasa bergerak pada lilitan stator 3 fasa. Model dari motor induksi dapat digambarkan dengan persamaan diferensial serta mutual induktansi yang berubah terhadap waktu, akan tetapi
model yang lainnya cenderung sangat
kompleks.
Gambar 1.Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi Tiga Fasa
Berdasarkan rangkaian di atas maka dapat dituliskan persamaan tegangan pada stator dan rotor [10]
Dengan Melakukan subsitusi persamaan (2) kedalam persamaan (1) maka dapat di tunjukan dalam bentuk matrik:
λqs,λds = Stator flux of dq frame
(Webber)
λqr,λdr = Rotor flux of dq frame
(Webber)
Rs = Stator Resistance(Ohm)
Rr = Rotor Resistance(Ohm)
Ls = Stator Inductance(Henry)
Lr = Rotor Inductance(Henry)
LM = Mutual Inductance(Henry).
Torsi elektromagnetik dibangkitkan dengan
menggunakan persamaan (5) [5], dan
kecepatan rotor (ωr) digunakan dengan
persamaan (6) [4].
)
Tem = Electromagnetic Torque(N.m)
J = Inertia Momen(kg.m2)
P = Pole
ωr = Speed in rotor(rad/second)
ωm = Speed in rotor mechanic
(rad/second)
2.2 Kontrol Vektor [11]
Kontrol vektor terdiri dari beberapa komponen arus stator yang ditunjukan sebagai sebuah vektor, didalam putaran singkron bentuk refrensi d-q, dimana diekspresikan pada torsi elektromagnetic seperti halnya
motor DC. Teknik ini berdasarkan
transformasi tiga fasa kedalam dua koordinasi waktu yang bervariasi, untuk pengendalian kecepatan juga tergantung kepada dua sistem koordinasi tersebut. Arus terminal fasa Ia, Ib,
dan Ic diubah dengan menggunakan
transformasi clarke yaitu dari sinyal tiga fasa sinusoidal ke dua fasa kedalam bentuk komponen (). Dua komponen selanjutnya
diubah kedalam bentukd-q dimana komponen
tersebut dengan sumbuhdirectdan quadrature
yaitu memisahkan antara torsi dan flux tersendiri.
Gambar 2.Prinsip Kontrol Vektor
2.3 Inverter
Model rangkaian inverter tiga fasa secara umum ditunjukkan pada Gambar 2.6. Dimana S1 sampai S6 adalah 6 (enam) buah saklar power yang membentuk uukeluaran, yang
dikendalikan oleh perubahan pensaklaran a, a’, b, b’ dan c, c’. Saklar dapat menggunakan
komponen daya seperti MOSFET atau IGBT. Ketika saklar atas (a, b dan c) aktif, maka saklar bawah (a’, b’ dan c’) yang berhubungan
tidak aktif. Oleh karena itu, perubahan pola switching a, b, c dan a’, b’, c’ akan
menghasilkan 8 (delapan) kemungkinan pola
switching seperti terlihat pada Gambar 3.
Kemudian muncullah delapan buah vektor tegangan yang terdiri dari V0 sampai dengan
Gambar 3.Skema Dasar Inverter Tiga Fasa
2.4 Space Vector Pulse Width Modulation
[12]
SVPWM awalnya dikembangkan sebagai
metode pendekatan vektor pada Pulse Width
Modulation (PWM) untuk inverter tiga fasa.
yang menghasilkan bentuk tegangan sumber untuk motor induksi dengan total distorsi harmonik yang rendah. Tujuan utama dari teknik modulasi ini adalah untuk mendapatkan variasi keluaran yang mempunyai komponen
fundamental maksimum dengan nilai
harmonisa yang minimum. SVPWM adalah metode tingkat lanjut dari metode PWM dengan komputasi khusus untuk aplikasi penggerak elektrik dengan frekuensi yang
berubah-ubah. Persamaan tegangan pada
kerangka acuan abc harus diubah menjadi
kerangka acuan αβ yang terdiri dari sumbu
horisontal α dan sumbu vertikal β. Kemudian diperoleh vektor V0hingga V7. Vektor tersebut kemudian dibagi menjadi dua yaitu 2 (dua) buah vektor nol dan 6 (enam) buah vektor aktif. Vektor aktif tersebut dapat dipetakan dalam bentuk heksagonal dengan beda sudut 600seperti terlihat pada Gambar 4.
α
Gambar 4.Dasar Pensaklaran Vektor dan Sektor
2.5 Hysteresis Pulse Width Modulation [13]
Kontroler Hysteresis merupakan teknik
kontrol arus yang mengaktifkan switching
pada tegangan fasa yang terhubung sebagai hasil pada bentuk feedback sensor arus. Arus fasa ditentukan apakah nilai dalam toleransi Hysteresis bisa memanipulasi disekitar nilai arus yang diinginkan. Kontrol Hysteresis ini
untuk menyederhanakan dan robustnes pada
beban parameter yang berubah-ubah
sebagaimana untuk mengetahui lebar frekuensi switchingyang tidak dapat di prediksi dan juga terdapat kesulitan pada keamanan rangkaian untuk sisteminverter.
.
Gambar 5.Bentuk Gelombang Aliran Kontrol Hysteresis
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Perangan Sistem
Sistem dibawah ini terdapat fungsi-fungsi tertertu agar dapat mencapai penelitian yang diinginkan.Plant dari sistem ini adalah motor induksi tiga fasa. Sistem ini terdapat rectifier
(DC Link) yang merupakan penyearah
terkendali sehingga menjadi tegangan DC. Invertermerupakan suatu alat yang fungsinya untuk merubah dari tegangan DC ke tegangan
AC, Inverter dikendalikan dengan metode
pensaklaran Hysteresis space vector pulse
width modulation. Plant motor induksi
menggunakan model d-q yang telah dirubah dari sistem koordinat tiga fasa menjadi dua fasa.
Gambar 6.Blok Diagram
3.2 Simulasi Dan Analisa
Tahapan ini menampilkan hasil simulasi
perancangan metode hysteresis pensaklaran
pada inverter. Data yang ditampilkan meliputi grafik sinyal arus dan tegangan pada metode
Hysteresis, SVPWM, perbandingan kedua
3.3 Hysteresis Pulse Width Modulation
Dibawah ini merupakan simulasi arus menggunakan metodeHysteresisdiInverter:
Gambar 7.Respon Arus pada Hysteresis
Gambar 7 diatas merupakan grafik sinyal arus
pada metode hysteresis. Hasil menunjukan
bahwa pada awal mula motor diberi sumber kemudian arus yang mengalir sebesar 462A, setelah waktu di 0.635 detik sinyal berubah dengan amplitude sebesar 26A atau saatsteady state. Metode ini menghasilkan ripple sebesar 29.7A saat sinusoidal, saat puncak ripple sebesar 5.82A dan saat lembah sebesar 5.3A.
3.4 Space Vector Pulse Width Modulation
SVPWM merupakan gabungan antara kontrol vektor dengan teknik PWM. Sub bab ini menampilkan arus dan tegangan pada
keluaran inverter dengan menggunakan
metode SVPWM.
Figure 8.Respon Arus SVPWM
Tahapan ini membahas metode SVPWM dimana grafik sinyal yang ditampilkan berupa arus dan tegangan pada keluaran inverter.
Gambar 8 menampilkan arus tiga fasa iabc
yang mana saat awal mula motor diberi sumber tenaga kemudian puncak arusnya mencapai 454A tetapi saat waktu 0.65 detik arus mengalir sebesar 24A. Metode ini masih menghasilkan ripple sebesar 9.68 A saat sinusoidal, saat puncak ripple sebesar 4A dan saat lembah sebesar 4A.
3.5 Hysteresis Space Vector Pulse Width Modulation
Tahap ini akan menampilkan data grafik usulan yaitu HSVPWM. Data yang akan ditampilkan berupa grafik sinyal arus dan tegangan pada keluaran inverter.
Gambar 9.Respon Arus
Gambar 10.Perbandingan Respon Arus
Gambar 10 diatas merupakan perbandingan arus keluaran inverter pada tiap metode. Perbandingan ripple pada ketiga metode dapat dilihat pada Tabel 1 data diambil saat ripple sinusoidal, puncak dan lembah pada luaran inverter. Data diatas juga beruparipple efektik dan sinyal efektif.
Table 1.Perbandingan Tiap Metode
Effektif Ripple Effektif Signal Hysteresis 33.1017 33.8467
SVPWM 19.32 27.57
HSVPWM 1.6071 27.6113
3.6 Respon Kecepatan
Sub bab ini menampilkan grafik respon kecepatan dengan perbandingan antara ketiga metode.
Gambar 10.Perbandingan Respon Kecepatan
Hasil respon pada perbandingan kecepatan menunjukan bahwa untuk mencapai keadaan
steady statemetode SVPWM lebih cepat yaitu
membutuhkan waktu 0.628 detik. Metode HSVPWM lebih lamban dibandingkan metode SVPWM yaitu membutuhkan waktu sebesar 0.723 detik untuk mencapaisteady state. Nilai
konstanta waktu (τ) pada ketiga metode
perbedaanya tidak terlihat secara signifikan antara 0.33 detik. Karakteristik respon terlihat pada tabel 4.3 dimana delay time disekitar 0.227 detik, Settling time sekitar 0.6 detik kemudianrise timedisekitar 0.5 detik.
3.7 Perhitungan Efisiensi
Setelah mengetahui daya masuk yang berupa tegangan dan arus pada tiap metode dan kemudian diketahui juga daya keluaran yang berupa torsi dan kecepatan. Sub bab ini menghutung seberapa besar efisiensi motor induksi tiga fasa dengan menggunakan tiap metode.
Table 2.Perhitungan Efisiensi
Pout Pin Effisiensi (%) Hysteresis 10800 11960 90
SVPWM 10062 11040 91
HSVPWM 7414 7820 94
Tabel diatas merupakan perhitungan parameter untuk menghitung efisiensi motor. Metode
Hysteresis menghasilkan 90% efisiensi motor
460 Volt, arus 26 Ampere dan daya keluaran motor yaitu torsi sebesar 18 Nm dan kecepatan 600 rpm. Metode SVPWM menghasilkan 91% efisiensi motor dimana daya masuk dengan tegangan sebesar 460 Volt, arus 24 Ampere dan daya keluaran motor yaitu torsi sebesar 16.77 Nm dan kecepatan 600 rpm. Metode HSVPWM menghasilkan 94% efisiensi motor dimana daya masuk dengan tegangan sebesar 460 Volt, arus 17 Ampere dan daya keluaran motor yaitu torsi sebesar 12.36 Nm dan kecepatan 600 rpm. Pada data diatas menunjukan bahwa metode HSVPWM lebih effisien yaitu meningkat sebesar 3% dengan persentase sebesar 94%.
4. KESIMPULAN
Hasil menunjukan pengaturan Kecepatan
sukses dilakukan dengan menggunakan
metode indirect vector control. Ripple arus pada inverter dapat berkurang sebersar 65%, Perubahan kecepatan pada metode HSVPWM berhasil mencapai set point 600 rpm dengan rise time 0.5267 detik,steady state0.628 detik
dan mempunyai over shoot sebesar 0.8%.
Metode HSVPWM menghasilkan 94%
efisiensi motor dimana daya masuk dengan tegangan sebesar 460 Volt, arus 17 Ampere dan daya keluaran motor yaitu torsi sebesar 12.36 Nm dan kecepatan 600 rpm. Pada data diatas menunjukan bahwa metode HSVPWM lebih effisien yaitu meningkat sebesar 3% dengan persentase sebesar 94%.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih saya berikan kepada Program Studi Teknik Elektronika, Politeknik
Negeri Malang yang telah memberikan
dukungan, sehingga terselesainya penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Parekh, R., 2003. AC Induction Motor
Fundamentals. Microchip
Technology Inc.
[2] Mohan, N., 2014. Advanced electric
drives: analysis, control, and
modeling using
MATLAB/Simulink. John
wiley & sons.
[3] Chengaiah, C. and Prasad, S., 2013.
Performance of Inductoin
Motor Drive by Indirect
vector controlled method
using PI and Duzzy
Controllers. International
Journal of Science,
Environment, 2(3), pp.475-469.
[4] Arulmozhiyal, R. and Baskaran, K.,
2009.
Space Vector Pulse Width
Modulation BasedSpeed
Control of Induction Motor using FuzzyPI Controller.
International Journal of
Computer and Electrical
Engineering, 1(1), p.98.
[5] Lakshmi, N.S., Adhavan, B.,
Jagannathan,
V. and Ravichandran, C.S., 2013, March. Reduction of transient and steady state speed pulsation in permanent magnet synchronous motor using Space Vector Pulse Width Modulation control.
In Circuits, Power and
Computing Technologies
(ICCPCT), 2013
International Conference on (pp. 252-257). IEEE.
[6] Yi, H., Zhuo, F., Zhang, Y., Li, Y., Zhan,
W., Chen, W. and Liu, J.,
source-current-detected shunt active power filter control scheme based on vector resonant controller.
IEEE Transactions on
Industry Applications, 50(3), pp.1953-1965.
[7] Arulmozhiyal, R., Baskaran, K. and
Manikandan, R., 2010,
December. An intelligent speed controller for indirect vector controlled induction
motor drive. In
Computational Intelligence and Computing Research
(ICCIC), 2010 IEEE
International Conference on (pp. 1-5). IEEE.
[8] Singh, M. and Hussain, M.S.S.,
Implementation of an
Intelligent Controller for
Three Phase Vector
Controlled Induction Motor Drive.
[9] Bimal, K., 2002. Bose. Modern power
electronics and AC drives. [10] Behera, P.K., Behera, M.K. and Sahoo,
A.K., 2014. Comparative Analysis of scalar & vector control of Induction motor
through Modeling &
Simulation. international
journal of innovative
research in electrical,
electronics, instrumentation
and control engineering,
2(4), pp.1340-1344. [11] Jung, J.W. and DStudent, P.H., 2005.
PROJECT# 2 Space vector PWM inverter. Mechatronic Systems Laboratory, Dept. of
Electrical and Computer
Engg., The Ohio State
University.
[12] Dos Santos, E. and da Silva, E.R., 2014. Advanced Power Electronics
Converters: PWM
Converters Processing AC
Voltages (Vol. 46). John Wiley & Sons.
[13] Arulmozhiyal, R., Baskaran, K. and
Manikandan, R., 2010,
December. An intelligent speed controller for indirect vector controlled induction
motor drive. In
Computational Intelligence and Computing Research
(ICCIC), 2010 IEEE
